陇东黄土旱塬不同降水年型作物土壤水分时空分异特征分析①李锋瑞赵松岭（兰州大学干旱农业生 态国家重点实验室，兰州７３００００）摘要基于陇东黄土旱塬区作物轮作复种系统田间试验土壤 水分观测资料，对几种主要轮作及复种作物在干旱和丰雨两种典型降水年型的农田水分时空分异规 律及土壤水分亏缺特征进行了分析．结果表明，在雨养农业条件下，降水年型是引起作物农田土壤 水分时空分异的主要原因，土壤水分的垂直分异主要表现在作物用水层深度及强度上，无论干旱年 还是丰雨年，均以冬小麦农田土壤用水层深度及强度最大，玉米次之，再依次为马铃薯和谷子；土 壤水分的时间分异主要反映在作物生育期内土壤水分随生育进程的波动变化上，冬小麦无论干旱年 还是丰雨年都存在明显的土壤水分亏缺，春播玉米和马铃薯仅在干旱年呈现一定的土壤水分亏缺， 而复种作物生育期田间土壤水分的变化完全可满足其生长发育需要．关键词雨养农业降水年型作物 土壤水分分异特征黄土旱塬中图法分类号Ｓ１５２．７在天然降水为农田水分唯一来源的黄土高原 雨养农业地区，从降水资源利用角度看，传统的作物布局及种植方式是基本上适应于作物对水分最 低需求条件的［１］．然而近年来种植制度在不断变革，作物品种在频繁更新，新的作物品种对降 水资源的适应性，新的种植模式与农田土壤水分平衡的关系，是黄土高原雨养农业持续发展面临的 迫切需要深入研究的重要课题．基于１９８８～１９９１年陇东黄土旱塬区草粮轮作及复种模式田 间试验的土壤水分观测资料，对复种轮作下几种主要作物在不同降水年型（代表不同土壤水分生态 条件）下农田土壤水分的时空分异特征进行了研究，旨在探明同一降水年型不同作物及同一作物不 同降水年型农田土壤水分的时空分异规律及土壤水分亏缺特征．１试验地概况及研究方法１．１试 验区自然条件试验在位于陇东黄土旱塬中部的西峰市什社乡境内的庆阳黄土高原试验站进行．地理 位置３５°４０′Ｎ，１０７°５１′Ｅ，海拔１２９８ｍ．试验区属温带大陆性季风气侯，年均 温８．３℃，最热月（７月）均温２０．５℃，最冷月（１月）均温－４．６℃，无霜期１６３ｄ ．年均降水量５６１ｍｍ，６～９月降水占全年降水７０％左右．土壤为黑垆土，土层深厚，粉沙 质地，耕性良好，具较强的蓄水保肥能力．试验区地下水埋深在１０ｍ以下，无地面灌溉条件，天 然降水是农田土壤水分的唯一来源．有关试验区的气候和土壤条件更详尽的描述参见文献［２］． １．２研究方法１．２．１轮作复种系统试验设计选用当地１０种主要粮油和豆科饲料作物作为试 验材料．其中，供试轮作作物种及品种是：冬小麦（ＴｒｉｔｉｃｕｍａｅｓｔｉｖｕｍＬ．）品 种西峰１６号；玉米（ＺｅａｍａｙｓＬ．）中单２号；谷子（Ｐｅｎｎｉｓｅｔｕｍｇｌａｕｃ ｕｍ（Ｌ．）Ｒ．Ｂｒ．）长农１号；马铃薯（Ｓｏｌａｎｕｍｔｕｂｅｒｏｓｕｍ）天薯１号； 高粱（Ｓｏｒｇｈｕｍｂｉｃｏｌｏｒ）晋中４０５号；油菜（ＢｒａｓｉｃａｎａｐｕｓＬ．） 当地种；胡麻（ＬｉｎｕｍｕｓｉｔａｔｉｓｉｍｕｍＬ．）天亚１号；黄豆（Ｇｌｙｃｉｎｅｍ ａｘＬ．）晋豆２号；供试复种作物种及品种是：糜子（Ｐａｎｉｃｕｍｍｉｌｉａｃｅｕｍ）当 地早熟种；黄豆为八月杂（旱熟品种）；豆科饲料作物为一年生箭舌豌豆（Ｖｉｃｉａｓａｔｉｖ ａＬ．）．根据庆阳黄土高原试验站近１０年的田间试验研究结果［３］，并参考当地传统的复种 轮作经验，从合理开发利用当地的土地和气候资源生产潜势及保护生态环境目标出发，将轮作与复 种相结合，设计了一系列不同的复种轮作模式［２］．试验采用逐年裂区设计方法，重复２次，试 验小区面积为３．５ｍ×１０ｍ．试验地田间管理方法与当地农户基本相同．各轮作作物年每公顷 施厩肥６×１０４ｋｇ，播前作基肥一次施入；施尿素（ｕｒｅａ）１８７．５ｋｇ，１／３在播 种时作种肥施入，余量作追肥在作物开花期施入；施过磷酸钙（ｓｕｐｅｒｐｈｏｓｈａｔｅ）４ ９５ｋｇ，２／３播种时作种肥施入，余量作追肥施入．复种作物只施化肥，不施厩肥．糜子年每 公顷施尿素１５０ｋｇ；黄豆和箭舌豌豆年每公顷施过磷酸钙３００ｋｇ．施肥量和施肥方法各年 均相同．１．２．２土壤水分观测方法试验期间，每年采用中子水分仪按旬测定各试验小区的土壤 水分，测定深度０～２００ｃｍ，共分为８层，依次为０～１０、１０～２０、２０～３０、３０ ～５０、５０～７５、７５～１００、１００～１５０和１５０～２００ｃｍ．２结果分析２．１ 轮作各作物农田水分时空分异特征２．１．１土壤水分垂直变化动态冬小麦、玉米、谷子和马铃薯 ４种作物在两个典型降水年型下（１９８９年为干旱年，１９９０年为丰雨年）的农田土壤水分垂 直分异变化动态曲线分别见图１、图２、图３和图４．通过对各作物土壤水分垂直变化动态曲线进 行比较，可看出以下变化规律．ａ无论干旱年还是丰雨年，４种作物土壤水分垂直变化动态基本相 似，主要表现在０～２００ｃｍ土层土壤水分含量垂直变幅自上而下渐次减小，呈现出明显的层次 性．这与其他人的研究结果相一致［４，５］．根据不同层次土壤水分变异系数的大小，可将０～ ２００ｃｍ土层划分为３层（尽管各作物间存在一定的差异），即：（１）强变层，约为０～５０ ｃｍ的土层．该土层是作物生育期间天然降水入渗补给的主要受益层，由于受气候因素（降水蒸发 ）和作物因素（生长耗水）的双重强烈影响，其水分消长变化十分剧烈．如玉米在干旱的１９８９ 年生育期内该层土壤水分平均变动范围在８．２％～２７．３％之间；（２）弱变层，约为５０～ １００ｃｍ的土层．该土层水分含量因作物种类及作物生育阶段不同而有所差异．在试验区降水条 件下，除丰雨年降水对该层土壤水分有较多的入渗补给，干旱年降水入渗补给量则较少．该土层受 大气的影响相对较小，但受作物用水图１不同降水年型下冬小麦农田土壤水分的垂直变化动态１干 旱年；２丰雨年；（ａ）播种（９月２０日）；（ｂ）拔节期（４月２５日）；（ｃ）开花期（５ 月２５日）；（ｄ）收获前（６月２５日）图２不同降不年型下玉米农田土壤水分的垂直变化动态 １干旱年；２丰雨年；（ａ）播种（５月２０日）；（ｂ）抽雄（７月２０日）；（ｃ）开化（８ 月２０日）；（ｄ）乳熟（９月１０日）图３不同降水年型下谷子农田土壤水分的垂直变化动态１ 干旱年；２丰雨年；（ａ）播种（５月２０日）；（ｂ）抽穗（７月２０日）；（ｃ）开花（８月 ２０日）；（ｄ）灌浆（９月１０日）的影响较大，因此其水分消长变化仍较活跃．如玉米在干旱 的１９８９年生育期内该层土壤水分的平均变动范围在１４．２％～２７．２％之间；（３）相对 稳定层，为１ｍ以下的土层．由于干旱年降水对该层土壤的入渗补给量很小，几乎为零，而多雨年 降水入渗补给量也不多［４，６］，加之作物根系仅少量分布于１ｍ以下，所以大气与作物用水的 影响均相当微弱，土壤水分变幅较小，尤其是丰雨年份．如丰雨的１９９０年玉米该层土壤水分的 平均变动范围为２１．３％～２３．２％．图４不同降水年型下马铃薯农田土壤水分的垂直变化动 态１干旱年；２丰雨年；（ａ）播种（５月１０日）；（ｂ）初花（７月１０日）；（ｃ）块茎膨 大（８月１０日）；（ｄ）收获前（９月１０日）ｂ同一降水年型下，不同作物由于播种期和生育 期不同以及田间耗水特性的差异，对土壤水分的消耗利用模式明显不同，这主要反映在各作物的土 壤用水深度及强度上．以干旱的１９８９年为例，冬小麦生育期内０～５０、５０～１００和１０ ０～２００ｃｍ３个土层土壤水分含量的变异系数分别为３３．５％、１９．７％和１０．１％； 玉米分别为２９．８％、２２．６％和８．３％；马铃薯分别为３１．６％、１０．８％和４．２ ％；谷子分别为１９．１％、４．８％和２．１％（表１），显而易见，４种作物中，谷子３个土 层土壤水分的变异系数最小，尤其是５０～１００和１００～２００ｃｍ土层水分的变异系数很小 ，说明谷子的用水层深度主要在５０ｃｍ土层内；马铃薯１００～２００ｃｍ土层水分的变异也很 小，说明马铃薯的用水层深度在１ｍ以内；而冬小麦和玉米１００～２００ｃｍ土层水分的变异系 数均较大，表明这２种作物的用水层深度均超过了１ｍ．作物相对用水强度的大小可用生育期内各 层次土壤水分变异系数值大小来反映，即对于同一土层，变异系数值较大的作物，其用水强度相应 也较大，反之亦然．以上研究的４种作物中，谷子０～５０ｃｍ土层土壤水分的变异系数显著小于 冬小麦、玉米和马铃薯，说明谷子该层土壤水分的利用程度小于冬小麦、玉米和马铃薯３种作物． 对５０～１００ｃｍ土层来说，则是冬小麦和玉米的变异系数显著大于马铃薯和谷子，而马铃薯又 明显大于谷子，说明冬小麦和玉米对该层土壤水分的利用强度最大，其次是马铃薯，最小的是谷子 ．对于１００～２００ｃｍ土层，除干旱年冬小麦和玉米对该层土壤水分仍有一定量的消耗外（其 中冬小麦用水强度又略高于玉米），马铃薯和谷子的消耗量几乎为零（表１）．ｃ同一种作物其土 壤用水层深度及用水强度因降水年型不同而异，主要表现在作物干旱年土壤用水深度及强度明显大 于丰雨年．以冬小麦为例，其干旱生产年度土壤用水深度在１ｍ土层以下，而丰雨生产年度在１ｍ 土层以内．其它３种作物也显示了相类似的年际分异变化规律．ｄ同一种作物其土壤水分的垂直动 态还因作物发育阶段不同而异，并且同一生育阶段土壤水分垂直动态又因降水年型不同而异．从图 １ａ、ｂ、ｃ、ｄ可见，冬小麦在播种和拔节期，干旱和丰雨两种降水年型土壤水分的垂直分异主 要表现在表土层（耕作层）土壤含水量的差异上，而耕作层以下土壤含水量在两种降水年型下并无明显差异．两种降水年型下冬小麦土壤水分的垂直分异在生育期末（６月底）表现得最为明显，这时土壤水分垂直分异深度几乎扩展到整个土壤水分测定深度（０～１８０ｃｍ）．从图２ａ、ｂ、ｃ、ｄ可见，玉米在播种期仅耕作层（０～３０ｃｍ）土壤含水量是丰雨年高于干旱年，而耕作层
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